PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Rok akad. 2010/2011 Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Instytut Radioelektroniki PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA Gracjan Szczęch Redukcja hałasu z wykorzystaniem aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego Kierownik pracy dr inż. Maria Tajchert Opiekun naukowy mgr inż. Paweł Górski Ocena: Podpis Przewodniczącego Komisji Egzaminu Dyplomowego

2 Składam serdeczne podziękowania dr inż. Marii Tajchert za udzieloną pomoc i życzliwość podczas pisania niniejszej pracy. Wyrazy wdzięczności kieruję również do mgr inż. Pawła Górskiego, za pomoc w doborze tematu pracy, dzielenie się wiedzą, poświęcony czas oraz wsparcie podczas pisania pracy

3 STRESZCZENIE W obecnej pracy opisano układ aktywnej redukcji hałasu składający się z aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego jako elementu wykonawczego oraz części nim sterującej. W ramach realizacji pracy zbudowano stanowisko badawcze złożone z falowodu akustycznego, aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego i systemu pomiarowego. Skuteczność aktywnej redukcji hałasu wyznaczono poprzez badanie izolacyjności akustycznej aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego przy wykorzystaniu pomiaru natężenia dźwięku metodą bezpośredniego pomiaru prędkości akustycznej oraz pomiaru ciśnienia akustycznego. Przeprowadzone badania wykazały, że zastosowanie materiałów piezoelektrycznych jako źródła wtórnego w systemach aktywnej redukcji hałasu daje pożądane efekty. Skuteczność redukcji hałasu daje globalne wyniki. Poprzez wykorzystanie ustroju o zmiennej izolacyjności i układu sterującego możliwe jest osiągnięcie poprawy izolacyjności płyty metalowej do ok.16 db. Ustrój może być wykorzystywany do zwiększenia izolacyjności akustycznej obudów dźwiękochłonno-izolacyjnych maszyn przemysłowych czy transformatorów o znacznie większej możliwości odprowadzania ciepła. SUMMARY Active noise reduction system consisting of an active sound-absorbing and isolating system The present study describes an active noise reduction system consisting of an active soundabsorbing and insulating system, as part of the executive and its controlling unit. In pursuit of work a test stand was built consisting of an acoustic waveguide, the active sound-absorbing and insulating and measuring system. The effectiveness of active noise reduction was determined by examining the active sound insulation of the sound-absorbing and insulating system using sound intensity measurement method for direct measurement of acoustic velocity and acoustic pressure. The study showed that the use of piezoelectric materials as a secondary source of the active noise reduction system makes a difference. The effectiveness of noise reduction gives global results. By developing the system with variable insulation using active elements and the control system it is possible to achieve improved insulation of the metal plate to about 16 db. The system can be used to improve the sound insulation of sound-absorbing industrial machines and transformers covers with much higher capacity of heat dissipation. 2

4 Specjalność: Radiokomunikacja i Techniki Multimedialne Data urodzenia: 5 sierpień 1987 r. Data rozpoczęcia studiów: 20 lutego 2007r. ŻYCIORYS Urodziłem się 5 sierpnia 1987 roku w Lublinie. Tam też rozpocząłem swoją edukację. W latach uczęszczałem do Szkoły Podstawowej nr 35, następnie od 2000 do 2003 roku do Gimnazjum nr 11. W roku 2003 zostałem laureatem Olimpiady Informatycznej, organizowanej przez Ministerstwo Edukacji Narodowej. W latach uczęszczałem do II Liceum Ogólnokształcącego im. Hetmana Jana Zamoyskiego. Po otrzymaniu świadectwa dojrzałości rozpocząłem naukę na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej, specjalizując się w radiokomunikacji i technikach multimedialnych. Rozpoczynając studia zacząłem aktywnie działać w Studenckiej Telewizji Internetowej TVPW powstałej z ramienia Samorządu Studentów Politechniki Warszawskiej, gdzie byłem operatorem i koordynatorem operatorów. Od 2009 do 2010 roku piastowałem tam stanowisko kierownika Działu Techniki i Realizacji TVPW. W trakcie studiów odbyłem praktyki długoterminowe w TVP S.A. Zajmowałem się tam głównie pomocą techniczną podczas transmisji i realizacji programów telewizyjnych. Następnie rozpocząłem pracę jako administrator IT systemu produkcyjno-emisyjnego w telewizji OrangeSport. EGZAMIN DYPLOMOWY Złożył egzamin dyplomowy w dniu... z wynikiem... Ogólny wynik studiów... Dodatkowe uwagi i wnioski Komisji

5 Spis treści 1. Cel i zakres pracy Wstęp Metody redukcji hałasu Aktywne metody redukcji hałasu Schemat i zasada działania aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego Metody pomiaru skuteczności działania systemów aktywnej redukcji hałasu Stanowisko do pomiaru skuteczności działania systemu ARH w ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnym Wyniki pomiarów Analiza wyników Podsumowanie Bibliografia Załącznik 1 Wybrane kody programów napisane i wykorzystywane w pracy Załącznik 2. Wyniki pomiarów

6 1. Cel i zakres pracy Aktywne metody redukcji hałasu coraz częściej wykorzystywane są do redukcji hałasu niskoczęstotliwościowego. Idea ARH (aktywnej redukcji hałasu) polega na kompensacji fal akustycznych źródła hałasu przez odpowiednio wysterowane, dodatkowe źródło kompensujące. Istotnym ograniczeniem aktywnych metod redukcji hałasu jest zastosowanie jako elementu wykonawczego przetworników elektroakustycznych. Ze względu na dość duże rozmiary, głośniki nie zawsze można ustawić w pobliżu źródła hałasu. Zwiększenie odległości źródła wtórnego od źródła hałasu w znacznym stopniu przekłada się na zmniejszenie skuteczności działania systemu ARH oraz ograniczenie go tylko do obszarów lokalnych. Alternatywą przetworników elektroakustycznych jest zastosowanie jako elementów wykonawczych inteligentnych postaci przetworników piezoceramicznych MFC. Wykonane z nich przetworniki mogą być umieszczone bezpośrednio na powierzchni elementu drgającego tworząc razem z układem sterującym aktywny ustrój dźwiękochłonno-izolacyjny. Rys.1. Schemat działania ustroju o zmiennej izolacyjności akustycznej. Ustrój taki zbudowany jest z materiałów pasywnych posiadających określone właściwości dźwiękochłonno-izolacyjne, oraz materiałów inteligentnych (przetworniki piezoceramiczne MFC (Micro Fiber Composite) i układ sterujący). Te ostatnie zmieniają właściwości ustroju pod wpływem doprowadzanej energii. Celem pracy jest określenie zmiany izolacyjności akustycznej ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego na skutek zastosowania w nim systemu ARH. Analiza przeprowadzona zostanie dla przykładowego rozwiązania aktywnego ustroju 5

7 dźwiękochłonno-izolacyjnego. Badana będzie izolacyjność akustyczna ustroju przy wykorzystaniu pomiaru natężenia dźwięku metodą bezpośredniego pomiaru prędkości akustycznej. Ustrój może być wykorzystywany między innymi do zwiększenia izolacyjności akustycznej obudów dźwiękochłonno-izolacyjnych maszyn przemysłowych czy transformatorów. W celu zapewnienia wymaganej izolacyjności obudów dźwiękochłonnoizolacyjnych zastępowałby on rozwiązania oparte na grubej obudowie, w której bardzo duże koszty pochłaniają układy odprowadzające ciepło. 6

8 2. Wstęp Hałasem nazywamy dźwięki nieprzyjemne bądź niepożądane, dokuczliwe, utrudniające pracę, wypoczynek i szkodliwe dla zdrowia [3]. Wywołują one u ludzi postawę niezadowolenia wobec panujących warunków akustycznych. Hałas określany jest subiektywnie przez każdą osobę. Dla słuchaczy koncertu muzyka może być formą relaksu i spędzania wolnego czasu, zaś dla osób nią niezainteresowanych hałasem. Wpływ hałasu na organizm ludzki jest różny. Przede wszystkim działa on niekorzystnie na słuch. Powoduje czasowe lub trwałe przesunięcie progu słyszenia. Hałas również niekorzystnie wpływa na stan psychofizyczny człowieka. Już przy 55dB dają o sobie znać zakłócenia snu i wzrost nadpobudliwości nerwowej (na hałas o takim poziomie narażonych jest ponad 60% Europejczyków). Przy natężeniu db (norma akustyczna w polskich miastach) występują zróżnicowane anomalia u ludzi w postaci niezauważalnych zmian akcji serca, ciśnienia krwi czy rytmu oddychania. Przy 70 db zaczynają się niekorzystne zmiany wegetatywne w organizmie. Taki poziom ma również istotny wpływ na wydajność pracy i zdolność do koncentracji. Przyczynia się do pogorszenia zrozumiałości mowy i percepcji sygnałów ostrzegawczych, a długotrwały - do narastania zmęczenia, bólów głowy, bezsenności, oraz zaburzeń widzenia. Powyżej 75 db mogą wystąpić rozmaite uszkodzenia organiczne i choroby, m.in. nadciśnienie tętnicze, zaburzenia pracy żołądka, wzrost wydzielania adrenaliny, wrzody żołądka, przyspieszenie procesu starzenia. Przyjmuje się, że długotrwałe narażenie na hałas o wartościach powyżej 85 db powoduje trwałe ubytki słuchu. Hałas przewyższający 120 db jest szczególnie niebezpieczny, gdyż istnieje zagrożenie natychmiastowego, mechanicznego i nieodwracalnego uszkodzenia słuchu. Może to nastąpić szczególnie w przypadku narażenia na hałas impulsowy. W okolicach 130 db występuje granica bólu.[4] Hałas w warunkach rzeczywistych jest praktycznie nie do uniknięcia. Zjawisko to związane jest z rozwojem przemysłu, komunikacji i urbanizacją. W miastach wzrostowi natężenia ruchu, oraz szybkości pojazdów towarzyszy systematyczne narastanie głośności hałasu komunikacyjnego. Wg badań przeprowadzonych przez firmę progeo Sp. z o.o. średnio co 10 lat hałas w środowisku wzrasta o 2dB. Na 21% powierzchni Polski hałas przekracza dopuszczalne normy. Na jego działanie narażona jest około jedna trzecia wszystkich Polaków. Szczególnie odczuwalne jest to w Warszawie, która jest jednym z najgłośniejszych miejsc w Polsce. W centrum tego miasta bezpieczny dla zdrowia poziom hałasu przekroczony jest aż o jedną trzecią wartości dopuszczalnej [8]. Na Górnym Śląsku, 7

9 gdzie uprzemysłowienie jest najwyższe w Polsce, notuje się aż 13% ze wszystkich notowanych w Polsce przypadków upośledzenia słuchu. Rys.2. Hałas w środowisku [1] Zagrożone hałasem obejmuje również w dużym stopniu osoby w środowisku pracy. Każde urządzenie, czy środek transportu mogą stanowić zagrożenie. Jest ono jeszcze większe, gdy hałas występuje na przestrzeni zamkniętej. W takim przypadku hałas zostaje odbity od ścian i obiektów, a jego poziom nie maleje wraz ze spadkiem odległości w takim tempie, jak w przestrzeni otwartej. Problem hałasu jest powszechny dla wszystkich krajów Unii Europejskiej. Szacuje się, że w Europie narażonych na hałas jest około 100 milionów osób [15]. Rys.3. Problem hałasu w miastach [2] 8

10 3. Metody redukcji hałasu Coraz powszechniej zaczyna się rozumieć potrzebę zwalczania hałasu. Opiera się ona na dwóch metodach [12]. Pierwszą są środki administracyjno-prawne zawierające wszelkie uregulowania prawne - uchwały Rady Ministrów, ustawy sejmowe, rozporządzenia, zarządzenia oraz pozostałe przepisy i normy techniczne, ograniczające zagrożenie hałasem. Zalicza się do nich również ograniczenie ekspozycji na szkodliwe dźwięki poprzez przerwy w pracy lub rotację pracowników, a także stosowanie profilaktyki lekarskiej (kontrola słuchu) określającej ubytek słuchu. Drugą metodą redukcji hałasu jest zastosowanie niezbędnych do tego celu środków technicznych. Zaliczamy do nich: ograniczenie i minimalizację emisji hałasu ze źródła, ograniczanie transmisji hałasu ograniczanie oddziaływania hałasu na określone obszary aktywną redukcję hałasu Ograniczanie emisji hałasu u źródła jest najskuteczniejszym sposobem pozbycia się niechcianych dźwięków mającym ponadto charakter globalny. Polega na unikaniu procesów powodujących narażenie na hałas i zastępowanie ich innymi. Może to być zamiana procesu technologicznego na bardziej cichy, stosowanie maszyn generujących dźwięk o mniejszym natężeniu, czy wymiana i konserwacja zużytych części (np. dziurawego tłumika w samochodzie). Na ograniczenie hałasu na drodze jego transmisji składają się przede wszystkim środki ochrony zbiorowej oraz organizacyjne. W przypadku drugich, najważniejszą praktyką jest poprawne rozmieszczenie źródeł hałasu oraz oddzielenie obszarów o zróżnicowanym poziomie emisji. Do środków ochrony zbiorowej zaliczamy zastosowanie obudów dźwiękochłonno-izolacyjnych, tłumików akustycznych, ekranów akustycznych i kabin dźwiękoizolacyjnych oraz zastosowanie adaptacji akustycznej. Ich celem jest odizolowanie źródła hałasu od reszty środowiska. Ograniczanie oddziaływania hałasu na określone obszary możliwe jest w przypadku zastosowania rozwiązań technologicznych opartych na odsunięciu człowieka od głośnych procesów. Przykładem może być tutaj zastosowanie automatyki w procesie produkcyjnym. Gdy niemożliwe jest zastosowanie powyższych środków ochrony przed hałasem, w grę wchodzić może zastosowanie indywidualnych ochron słuchu.[12] 9

11 Powyższe metody nie zawsze gwarantują dostateczną redukcję hałasu niskoczęstotliwościowego. Dzieje się tak, gdyż współczynnik pochłaniania rośnie wraz z grubością i masą przypadającej na 1 m 2 powierzchni materiału dźwiękochłonnego, a także ze wzrostem częstotliwości padającej na niego fali akustycznej. Przy niskich częstotliwościach długość fal jest duża i ulegają one ugięciu na brzegach materiału izolacyjnego. To z kolei nie wpływa prawie w ogóle na zmianę poziomu hałasu. Zastosowanie bardzo grubych materiałów dźwiękochłonnych zazwyczaj nie jest możliwe, lub całkowicie nieopłacalne. Inaczej sytuacja przedstawia się w przypadku dynamicznie rozwijających się aktywnych metod redukcji hałasu. Są one skuteczne dla częstotliwości poniżej 500Hz, oraz dla wąskopasmowych, powtarzalnych sygnałów. 10

12 4. Aktywne metody redukcji hałasu Aktywne metody redukcji hałasu opierają się na zjawisku nakładania się fal, które w pewnych warunkach ulegają wzajemnej kompensacji. Rys.4. Zasada działania aktywnej redukcji hałasu.[3] Idea aktywnej redukcji hałasu opiera się na wykorzystaniu dwóch sygnałów. Jednym z nich jest sygnał kompensowany, na Rys. 4 oznaczony jako x(t). Drugi sygnał - y(t) wytwarzany jest na podstawie pierwszego. Ma taką samą amplitudę, różni się jedynie fazą przesuniętą o 180. Podawany jest on na wejście dodatkowego źródła, zwanego wtórnym. W wyniku superpozycji tych dwóch sygnałów powstaje skompensowany sygnał e(t). Teoretycznie może on przybrać postać ciszy. W praktyce jest to nieosiągalne, ale amplituda sygnału e(t) może być znacznie mniejsza w stosunku do amplitudy sygnału x(t). Rys. 5. Schemat układu aktywnej redukcji hałasu.[3] 11

13 Istotnym blokiem systemu ARH jest układ sterujący. Jego zadaniem jest przekształcenie sygnału odniesienia na sygnał wyjściowy, aby po wysterowaniu nim źródła wtórnego poziom hałasu w punkcie obserwacji był jak najmniejszy. Układ sterujący zawiera analogowe układy wejścia i wyjścia, zasilacz i część cyfrową wraz z zaimplementowanym algorytmem. W części cyfrowej realizowane są obliczenia wykonywane na podstawie sygnałów błędu i odniesienia, w oparciu o zadany algorytm. Moc obliczeniowa układów liczących powinna być jak największa, ponieważ cykl obliczeń musi być wykonany w czasie rzeczywistym, np. dla sygnału o częstotliwości 1000Hz, opóźnienie układu o 0,0001 sekundy powoduje 60% spadek skuteczności [3]. Wymaganie bardzo dużej mocy obliczeniowej było powodem, że systemy ARH długo nie przynosiły oczekiwanych wyników. Pobieranie sygnałów błędu i odniesienia odbywa się za pomocą elementów pomiarowych. Jeden z nich dostarcza informacje o hałasie, który chcemy skompensować (detektor sygnału odniesienia), natomiast drugi, detektor sygnału błędu informuje o poziomie hałasu w punkcie obserwacji, w którym ma on być skompensowany (detektor sygnału błędu). Rys.6. Schemat blokowy układu filtracji adaptacyjnej LMS.[9] Jak wcześniej wspomniano, w układach sterowania zaimplementowanie są odpowiednie algorytmy obliczeniowe zwane również algorytmami sterowania. Głównym ich zadaniem jest adaptacja współczynników filtrów cyfrowych oraz eliminowanie efektu sprzężenia zwrotnego ścieżki dźwiękowej. Najczęściej stosowanym algorytmem jest algorytm adaptacyjny LMS (least mean-square). Wytwarza on współczynniki dla filtru FIR (finite impulse response) o skończonej odpowiedzi impulsowej Filtr FIR przechowuje wektor współczynników h zarejestrowanych w pewnym odcinku czasu. Na podstawie tych współczynników generowany jest sygnał kompensujący. Wartości współczynników h adaptowane są po każdym odczycie wartości sygnału błędu. Do ich wartości dodawana jest 12

14 korekta obliczona przez algorytm LMS. Dzięki temu sygnał y(n) upodabnia się do sygnału hałasu i może zostać odjęty od sygnału zakłóconego. W efekcie powinniśmy uzyskać sam sygnał użyteczny. Rys. 7. Filtr FIR z przestrajanymi współczynnikami h [9] W systemach ARH stosowanych jest wiele różnych wariantów algorytmów będących modyfikacjami algorytmu LMS. Przykładem takiego algorytmu jest algorytm LMS zastosowany do adaptacji filtru typu Notch. Filtr taki do poprawnego działania wymaga dwóch sinusoidalnych sygnałów odniesienia przesuniętych w fazie o 90º (tzn. sin(θ) i cos(θ)) zsynchronizowanych z sygnałem kompensowanym (w tym przypadku jest to sygnał ostrzegawczy). W przypadku takiego algorytmu przyjmuje się, że znana jest częstotliwość redukowanego hałasu i możliwe jest obliczenie sygnału odniesienia. Sygnał kompensujący y(n) stanowi sumę sygnałów składowych y 0 (n) i y 1 (n) i opisany jest zależnością: y n = y o n + y 1 n = ω 0 sin(ωn) + ω 1 sin ωn = Asin (ωn + φ) (1) Sygnały y 0 (n) i y 1 (n) są iloczynami sygnału odniesienia i współczynnika wzmocnienia. Wartość współczynnika wzmocnienia regulowana jest przy użyciu algorytmu LMS, zgodnie z przedstawionymi zależnościami: ω 0 n + 1 = ω 0 + μe n sin ωn (2) ω 1 n + 1 = ω 1 + μe n cos ωn, gdzie: (3) µ- wartość współczynnika adaptacji, n kolejny numer próbki. W układach ARH wykorzystywane są elementy pomiarowe. Ich rolą jest przetwarzanie wielkości nieelektrycznych na sygnały elektryczne wykorzystywane w procesie sterowania. W zależności od rodzaju systemu, elementy pomiarowe mogą być 13

15 różnego typu, np. mikrofony, obrotomierze, akcelerometry, przetworniki prędkości i przemieszczenia, czujniki odkształcenia, czy synchronizowane przetworniki częstotliwości. Z uwagi na uniwersalne zastosowanie, najczęściej używanym elementem pomiarowym są mikrofony. Ważnymi ich parametrami są maksymalny poziom ciśnienia akustycznego oraz stosunek sygnał szum. Maksymalny poziom ciśnienia akustycznego ogranicza zastosowanie mikrofonu tylko do takich miejsc, w których wartość ciśnienia akustycznego nie przekracza tej wartości. Od stosunku sygnał szum zależy skuteczność całego systemu. Cechy stosowanych algorytmów w procesie sterowania nie wymagają, by mikrofony miały one płaską charakterystykę fazową i amplitudową. Z powodzeniem więc można stosować tanie modele pojemnościowe czy elektretowe. Jedynie w przypadku zastosowania układu ze sterowaniem z wyprzedzeniem, pojawia się problem negatywnego wpływu sprzężenia zwrotnego pomiędzy źródłem wtórnym, a przetwornikiem sygnału odniesienia. W takiej sytuacji istnieje możliwość ograniczenia wpływu sprzężenia zwrotnego poprzez zastosowanie mikrofonu o silnie kierunkowej charakterystyce. Do najczęściej spotykanych elementów wykonawczych w aktywnych systemach redukcji hałasu należą głośniki. Powinny one charakteryzować się odpowiednim pasmem przenoszenia, dużą wytrzymałością i żywotnością. Zastosowanie modeli o wysokiej efektywności wpływa na zmniejszenie kosztów eksploatacji takiego systemu. Ważną cechą jest również duża prędkość objętościowa q [m 3 /s] w zakresie niskich częstotliwości, gdyż umożliwia uzyskanie dużej wartości emitowanej mocy akustycznej. Stosowanie jako element wykonawczy głośników wprowadza jednak niekiedy pewne ograniczenia. Nie mogą one zostać zamocowane na źródle hałasu, a czasem nawet w jego pobliżu. To z kolei powoduje, że efekt aktywnej redukcji wystąpi na obszarze ograniczonym. Im bliżej więc źródła hałasu znajduje się element wykonawczy, tym redukcja hałasu obejmuje większy obszar. Wyeliminowane zostaje przy tym opóźnienie występujące w torze pomiarowym. Możliwym i coraz częściej stosowanym rozwiązaniem jest wykorzystanie jako elementy wykonawcze przetworników piezoelektrycznych. Elementy te można zamocować bezpośrednio na obudowie źródła hałasu, np. metalowej płycie. Płyta ta wprowadzana w drgania przetwornikiem piezoelektrycznym pełni rolę membrany. Źródło takie bardzo efektywnie emituje dźwięk na częstotliwościach rezonansowych płyty. 14

16 Rys. 8. Element wykonawczy z elementem piezoelektrycznym Przetworniki piezoelektryczne służące do redukcji dźwięku niskoczęstotliwościowego mogą być połączone z materiałem pasywnym o określonej charakterystyce tłumienia i izolacyjności. Dzięki temu zakres częstotliwości redukowanego hałasu zostanie zwiększony. Po doprowadzeniu układu sterującego do elementów piezoelektrycznych, układ taki możemy nazwać aktywnym ustrojem dźwiękochłonno-izolacyjnym, gdyż zmienia on swoje właściwości pod wpływem doprowadzanej energii. Badania właściwości akustycznych przykładowego rozwiązania takiego ustroju będą prowadzone w dalszej części tej pracy. Przykładem zastosowania systemu ARH jest zmniejszenie emitowanego z systemów wentylacyjnych. W tym przypadku hałas redukowany jest wąskopasmowy i niskoczęstotliwościowy. Wentylator wytwarza sygnał, którego częstotliwość równa jest iloczynowi jego prędkości obrotowej i liczby łopatek. Hałas w kanałach wentylacyjnych będących falowodami rozchodzi się jako fala płaska, co ułatwia jego redukcję. Rys. 9. Schemat układu laboratoryjnego ARH w kanale wentylacyjnym. 15

17 Na Rys. 9 przedstawiono schemat układu laboratoryjnego służącego do badania systemów ARH w układach wentylacyjnych. Na końcu falowodu, będącego odpowiednikiem przewodów wentylacyjnych, zamocowany jest głośnik niskoczęstotliwościowy pełniący rolę źródła hałasu (wentylatora) W odległości około 60 cm od drugiego końca falowodu umieszczono drugi głośnik będący źródłem wtórnym. Mikrofony odniesienia i błędu zamocowano kolejno wewnątrz i u wylotu falowodu. Wychodzące z nich sygnały są wzmacniane, a następnie dostarczane do układu sterującego, generującego sygnał sterujący źródłem wtórnym. Redukcja hałasu następuje w całym pomieszczeniu, gdyż źródło hałasu zostało skompensowane w płaszczyźnie wylotu falowodu.. Bardzo szybko rozszerza się zakres stosowania metod ARH w motoryzacji. Coraz więcej firm wykorzystuje metody aktywne do wyciszania wnętrz produkowanych przez siebie samochodów. Przykładem jest tu Honda Legend. System ARH umieszczony w tym aucie wykorzystuje dwa mikrofony, jeden zlokalizowany za górną konsolą, a drugi tuż przy module tylnego światła. Mierzą one poziom ciśnienia akustycznego hałasu, jaki przedostaje się do kabiny z układu napędowego. W razie wykrycia niepożądanych częstotliwości, system ARH generuje i wysyła do wzmacniacza precyzyjnie dobrany sygnał dźwiękowy, który zasila głośniki w drzwiach i tylny woofer. Dla częstotliwości poniżej 100 Hz, system może zredukować poziom hałasu o ok. 10 db [5]. Rys. 10. Active Noise Cancellation w Hondzie Legend [5] W samochodach aktywna redukcja hałasu stosowana jest również w układach wydechowych. Poziom ciśnienia akustycznego wewnątrz rury przekracza niekiedy 170dB. Hałas jest uzależniony od prędkości obrotowej silnika. Główna składowa częstotliwościowa związana jest z aktualnym cyklem jego pracy, dzięki czemu tłumienie jest wąskopasmowe. Problemem mogą być niekiedy szybkie zmiany częstotliwości. W 16

18 nowych rozwiązaniach tłumienie następuje poza układem wydechowym. Mikrofon jest umieszczony na zderzaku w odległości ok.20 cm od wylotu rury wydechowej. Głośniki niskoczęstotliwościowe mają specjalną konstrukcję zapewniającą odporność na wysoką temperaturę, dochodzącą niekiedy do 550 C. Układ rezonatorowy pasywnie wspomaga układ aktywny poprzez wyciszenie wyższych harmonicznych i składowych losowych. W zakresie Hz uzyskano skuteczność 16 db. Przy pracy ciągłej silnika z częstotliwością podstawową 90Hz wzrosła ona do 26dB.[14] Rys. 11. Słuchawki z aktywną redukcją hałasu dla pilotów.[7] Innym zastosowaniem ARH są słuchawki. Możemy je podzielić na dwie grupy: niezależne, zasilane bateryjnie oraz dołączane kablem do pulpitów. Słuchawki niezależne zawierają w sobie układ sterujący i mikrofony. Dzięki temu mogą być używane niezależnie od miejsca. Słuchawki dołączane do pulpitów są układami bardziej skomplikowanymi i dedykowanymi do konkretnych zastosowań. Współpracują z mikrofonami błędu i odniesienia rozmieszczonymi w pożądanych punktach pomiarowych. Układy takie wykorzystywane są między innymi w lotnictwie. Wewnątrz kabiny pilotów poziom ciśnienia akustycznego dochodzi nawet do 95dB. Słuchawki dają możliwość redukcji hałasu nawet o 30dB [7]. Nowym obszarem zastosowań metod ARH jest zwiększanie izolacyjności akustycznej przegród i obudów dźwiękochłonno-izolacyjnych. Do zmiany izolacyjności akustycznej stosowane są tzw. materiały inteligentne umieszczane bezpośrednio na powierzchni przegród czy obudów. Rozwiązania takie mają szanse zastąpić rozwiązania oparte na grubej obudowie, w której bardzo duże koszty pochłaniają układy odprowadzające ciepło. 17

19 5. Schemat i zasada działania aktywnego ustroju dźwiękochłonnoizolacyjnego Ustrój o zmiennej izolacyjności akustycznej zbudowany jest z materiałów pasywnych oraz. z materiałów inteligentnych, zmieniających izolacyjność akustyczną ustroju pod wpływem doprowadzanej energii. Na skutek połączenia ustroju z układem sterującego ARH, całość tworzy system redukcji hałasu w postaci aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego. Elementem wykonawczym jest przetwornik piezoelektryczny MFC M-8528-P2, sterowany przez układ systemu ARH. Sterowanie to odbywa się w oparciu o sygnał błędu uzyskany przez mikrofon pomiarowy. W skład układu sterującego wchodzi kondycjoner, wzmacniacz mocy oraz komputer PC. Schemat systemu pokazany jest na Rys 12. Rys. 12. Schemat systemu redukcji hałasu z wykorzystaniem aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego Ustrój przeznaczony do badań składa się z metalowej płyty o wymiarach 240x300x0,5 i elementu piezoelektrycznego MFC. Element ten jest materiałem, który zmienia właściwości mechaniczne pod wpływem doprowadzanej energii elektrycznej. Składa się z mikrowłókien położonych równolegle względem siebie na jednej płaszczyźnie. Włókna te są pobudzane polem elektrycznym wytworzonym przez elektrody typu grzebieniowego, z których każda kolejna zasilana jest napięciem o przeciwnej fazie. Dzięki temu włókna przemieszczają się i obserwowane jest zwielokrotnienie efektu odkształcenia elementu MFC pod wpływem przyłożonego napięcia. Na Rys. 13 przedstawiona jest budowa wielowarstwowego elementu MFC z jedną elektrodą grzebieniową. 18

20 Rys. 13. Budowa gradientowego elementu z elektrodą grzebieniową. W badaniach wykorzystano przetwornik piezoelektryczny MFC M-8528-P2 (Rys. 14) firmy Smart Material o wymiarach 106x34x0,4 [mm]. Jego podstawowe dane znajdują się w Tabeli 1. Przetwornik ten zamocowano na środku metalowej płyty. Rys. 14. Element piezoelektryczny SmartMaterial M-8528-P2. Gęstość, kg/m kg/m 3 Moduł Younga, N/m 2 14,4493 GPa Liczba Poissona v 12 =0,31; v 21 =0,16 Tłumienie wewnętrzne Względna przenikalność elektryczna ε T 33 / ε 0 =1000 Macierz dielektryczna Macierz piezoelektryczna Macierz sprężystości Tabela. 1. Podstawowe dane elementu piezoelektrycznego SmartMaterial M-8528-P2 19

21 Układ systemu ARH zawiera analogowe układy wejścia i wyjścia ze wzmacniaczami i zasilaczami, przetworniki A/C i C/A oraz częścią cyfrową. W całości jest on zamknięty w obudowie komputera PC, który wykorzystuje się do realizacji obliczeń z zastosowaniem algorytmów adaptacyjnych. Rys. 15. Uniwersalny układ sterujący widok z przodu. Rys. 16. Wnętrze układu sterującego (1. karta przetworników, 2. wzmacniacz mocy, 3. zasilacz części analogowej) Na Rys. 15 i 16 pokazano układ sterujący wmontowany w obudowę komputera. Oprócz podstawowych elementów komputera PC, możemy w nim wyróżnić: kartę przetworników analogowo-cyfrowych i cyfrowo-analogowych (1), wzmacniacz mocy (2) zasilacz układów analogowych (3). 20

22 Wykorzystywana karta przetworników Egmont Instruments LC zawiera 16 wejść analogowych i 2 analogowe wyjścia. Wszystkie są obsługiwane w rozdzielczości 12bitów. W bloku wyjściowym sygnały są dopasowywane, po czym wysyłane do wzmacniacza mocy. Sygnały z kanałów wejściowych mogą być pobierane z karty przetworników, jak i z sygnałów zewnętrznych za pomocą złącza BNC, które jest umieszczone w specjalnym module w przedniej części układu (Rys. 17). Znajdują się tam też gniazda RCA umożliwiające podgląd sygnałów wysyłanych do wzmacniacza za pomocą oscyloskopu. Rys. 17. Moduł wejścia-wyjścia. Komputer PC, będący częścią cyfrową układu sterującego pracuje pod kontrolą systemu operacyjnego MS-DOS. Rozwiązanie takie eliminuje czas potrzebny do rozpoczęcia działania z racji tego, że system i program sterujący mają małą objętość. Nie występują w nim ewentualne opóźnienia będące efektem ustawiania priorytetów działania przez jądro systemu. Kontrola systemu wykonywana jest z poziomu języka maszynowego procesora. Na opisywanym komputerze uruchamiane jest oprogramowanie służące do zmiany parametrów sygnału hałasu i sygnału kompensującego. W każdym z nich możliwa jest zmiana częstotliwości i amplitudy sygnałów oraz opóźnienie sygnału kompensującego w stosunku do sygnału hałasu. Regulacja amplitudy sygnałów została znormalizowana w przedziale od 0 do 1, z przesunięciem co 0,01. Dla opóźnienia możliwy najmniejszy kąt przesunięcia pomiędzy sygnałami wynosi 3,6º w zakresie 360 º. Sterowanie układem ARH odbywa się ręcznie poprzez zmianę opóźnienia i amplitudy oraz adaptacyjnie za pomocą algorytmu LMS sterującego filtrem NOTCH. W celu rejestracji poziomu ciśnienia akustycznego hałasu wykorzystywany jest mikrofon 21

23 B&K 4135 ze wzmacniaczem podłączony do układu sterującego. W przypadku trybu ręcznego do regulacji sygnału kompensującego wykorzystywane są elementy systemu pomiarowego: oscyloskop Tektronix TDS 3014B oraz miernik poziomu ciśnienia akustycznego Svan 948. Mikrofon błędu (B&K 4135) oraz mikrofon pomiarowy miernika poziomu ciśnienia akustycznego Svan 948 zamontowane są w odległości 20cm od ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego, naprzeciw jego geometrycznego środka. Opóźnienie i amplituda sygnału wysyłanego do elementu piezoelektrycznego ustawiane są tak, by poziom ciśnienia akustycznego pokazywany przez miernik Svan i oscyloskop Tektronix był jak najmniejszy. W trybie adaptacyjnym wykorzystywany jest jedynie mikrofon błędu. Niezbędnym elementem układu sterującego jest kondycjoner sygnału kompensującego. Zastosowanie kondycjonera jest niezbędne, ponieważ przetwornik MFC wymaga, by amplitudy napięcia sygnału kompensującego dochodziły do 200 V, oraz zostały wstępnie spolaryzowane napięciem dodatnim w zakresie od 0 do 100 V. Niespełnienie powyższych warunków wpływa na zniekształcanie sygnału wtórnego. Wynika to z faktu, że zmiany rozmiaru elementu piezoelektrycznego pod wpływem przyłożonego napięcia ujemnego podlegają silniejszym odgraniczeniom niż zmiany rozmiaru wywołane napięciem dodatnim. Kondycjonowanie przebiega dwufazowo. Pierwsza faza polega na wzmocnieniu sygnału wyjściowego z układu sterującego systemu ARH. Do tego celu wykorzystywany będzie wzmacniacz mocy STA Następnie sygnał trafia do kondycjonera, gdzie następuje zwiększenie jego amplitudy napięcia i dodanie napięcia polaryzującego. Rys. 18. Wzmacniacz mocy STA-1508 (na dole) i kondycjoner sygnałów sterujących (na górze). 22

24 Parametry wzmacniacza mocy STA-1508 przedstawione są w Tabeli 2. Moc wyjściowa (RMS) normalny tryb pracy przy obciążeniu 4Ω 8x160W normalny tryb pracy przy obciążeniu 8Ω 8x100W mostkowy tryb pracy przy obciążeniu 8Ω 4x320W Czułość wejściowa dla mocy znamionowej przy 0,7V obciążeniu 4 Ω Impedancja wejściowa 20kΩ Pasmo przenoszenia 12Hz-60kHz, -1.5dB Częstotliwość podziału zwrotnicy 240Hz Stosunek sygnał/szum >80dB Separacja kanałów >60dB, 1kHz Współczynnik zniekształceń harmonicznych (THD) <0.1% Dopuszczalna temperatura pracy 0-40 C Zasilanie 230V~/50Hz Pobór mocy max. 2400VA Wymiary (Sz. x Wys. Dł.) 482 x 132 x 310 mm Ciężar 19kg Tabela 2. Parametry wzmacniacza STA-1508 Kondycjoner sygnałów sterujących został zaprojektowany i wykonany w pracowni Aktywnych Metod Redukcji Hałasu CIOP-PIB. Jego schemat blokowy przedstawiono na Rys. 19. Rys. 19. Schemat blokowy kondycjonera sygnałów sterujących. Kondycjoner ma osiem wejść sygnałowych, oznaczonych jako We1 We8, oraz osiem wyjść oznaczonych Wy1 Wy8. Amplituda sygnałów sterujących podawanych na wejścia jest zwiększana przy użyciu transformatorów wyjściowych (Tw1 Tw8). Pozostałe obwody kondycjonera służą do wytworzenia napięć polaryzujących (Upol), które również 23

25 są podawane na wyjścia sygnałowe. Obwody polaryzujące są sprzęgnięte z transformatorami wyjściowymi. Na Rys. 19 elementy obwodów wysokonapięciowych oznaczono kolorem granatowym, natomiast elementy obwodów niskonapięciowych kolorem fioletowym. Do wytworzenia napięć polaryzujących służą zasilacze oznaczone na schemacie z Rys. 19 jako Zasilacz1 i Zasilacz2. Każdy z zasilaczy umożliwia wytworzenie napięcia polaryzującego z zakresu od 0 do 200V uzyskiwanego z transformatora sieciowego oznaczonego jako Tr. Wybór napięcia polaryzującego dla danego wyjścia sygnałowego jest ustalany za pomocą przełączników P1 P8. W przeprowadzonych badaniach układ sterujący wykorzystywany jest również jako źródło hałasu. Działa on niezależnie od systemu ARH. Sygnał wyjściowy podany jest na głośnik umieszczony w falowodzie. 24

26 6. Metody pomiaru skuteczności działania systemów aktywnej redukcji hałasu Najprostszym sposobem pomiaru dźwięku jest określenie wartości ciśnienia akustycznego, wyrażanego w Pascalach (Pa). Pomiar ciśnienia akustycznego jako wielkości skalarnej nie przynosi żadnej informacji o wektorowym charakterze pola akustycznego, tzn. o kierunkach przepływu energii. W badanym przypadku zbadanie promieniowania płyty z osadzonym elementem piezoelektrycznym w ściśle określonych punktach wymaga dokonania pomiaru z bliskiej odległości.. Ze względu na te uwarunkowania, zdecydowanie bardziej użyteczne jest wyznaczenie natężenia dźwięku i rozkładu energetycznego. Pomiar taki daje informacje o zjawiskach wektorowych zachodzących w polu akustycznym i będzie realizowany w niniejszej pracy. Natężeniem fali kulistej określamy energię przepływającą przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu. Całkowita energia przepływająca przez powierzchnię zamkniętą otaczającą źródło jest stała i nie zależy od odległości. Wyraża się iloczynem E = 4 πr2i, gdzie: (4) I - natężenie dźwięku jako strumień energii przepływający przez jednostkę powierzchni prostopadłą do kierunku propagacji fali. Przekształcając powyższą zależność otrzymamy wzór na natężenie w powiązaniu z mocą akustyczną źródła: I = N a 4πr 2, gdzie: (5) N a moc fali akustycznej Wynika z niego, że natężenie w konkretnym punkcie pola akustycznego maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości od źródła. 25

27 Rys. 20. Rozkład natężenia dźwięku źródła kulistego [16] Bezpośrednie pomiary natężenia są trudne ze względu na konieczność pomiaru prędkości cząstki akustycznej. Użyteczna metoda powstała dopiero w 1977 roku. Do jej realizacji wykorzystano dwa mikrofony. Polegała ona na pomiarze gradientu ciśnienia fali płaskiej na drodze między dwoma mikrofonami skierowanymi czołowo. Wartość prędkości uzyskiwano na podstawie obliczeń teoretycznych. Taka metoda pomiaru nazwana została klasyczną. Niestety nie jest pozbawiona wad. Główną ich przyczyną jest błąd fazy wynikający z różnic charakterystyk fazowych mikrofonów. Dodatkowo do badań, które będą prowadzone sonda ta jest za duża. Nie ma możliwości zamontowania jej w taki sposób, by dokonywała pomiaru bardzo małych części powierzchni. Jej rozmiary wpływają ponadto na zakłócenie pola akustycznego. Innym sposobem zbadania natężenia dźwięku jest pomiar bezpośredni. Polega on na pomiarze prędkość cząstki akustycznej i wartość ciśnienia akustycznego, a tym samym amplitudy i fazy wektora natężenia dźwięku, zgodnie ze wzorem: I = pv, gdzie: (6) p - wartość ciśnienia akustycznego, v prędkość akustyczna cząstki. Prędkość akustyczna w powyższym wzorze określa prędkość drgań cząstki w polu fali akustycznej. Jest ona pochodną przesunięcia x cząstki po czasie: x t = X sin ωt (7) v t = dx (t) dt = ωx p cos ωt (8) Przy sinusoidalnych przesunięciach cząstki prędkość wyraża się wzorem: 26

28 v a t = A max ω cos(ωt) = v a max cos(ωt), (9) gdzie ω pulsacja (ω = 2πf) A max amplituda przesunięcia cząstki [m] v max - amplituda prędkości cząstki [m/s], v max = ωx max = 2πfA max Prędkość akustyczna rośnie ze wzrostem głośności i częstotliwości tonu. Jej wartość w porównaniu z prędkością rozchodzenia się dźwięku c jest niewielka, dochodzi do 0,1 m/s Sonda Microflown USP (Ultimate Sound Probe) [10] umożliwia bezpośredni pomiar ciśnienia akustycznego i prędkości cząstek w trzech kierunkach. Zbudowana jest z trzech czujników prędkości cząstki akustycznej i jednego miniaturowego mikrofonu ciśnieniowego 1/10 umieszczonego w środku geometrycznym. Rys. 21. Sonda Microflown USP Wymiary czujnika bez obudowy są mniejsze niż 5 5 5mm, dzięki czemu pole nie jest zakłócane aż do częstotliwości Hz. Sonda posiada szeroki zakres częstotliwości pomiarowych (~2Hz-20kHz) oraz umożliwia pomiary z bardzo bliskich odległości. Wykorzystuje cztery kanały do pełnego, trójwymiarowego opisu pola akustycznego. Do sondy dołączony jest moduł zasilający i kondycjoner sygnału. Podstawowe parametry przedstawione są w Tabeli 3. 27

29 Elementy sondy Wymiary samego czujnika (czujniki prędkości oraz mikrofon ciśnieniowy) bez obudowy Średnica czujnika z obudową Długość sondy Masa sondy Zakres częstotliwości mikrofonu/czujnika prędkości cząstek Górna granica poziomu dźwięku mikrofonu/czujnika prędkości cząstek Czułość mikrofonu/czujnika prędkości cząstek Kierunkowość mikrofonu/czujnika prędkości cząstek 3 czujniki prędkości z tytanowym elementem sensorycznym zintegrowane w jednej obudowie z miniaturowym mikrofonem ciśnieniowym o średnicy 1/10 <= 5 5 5mm 1/2'' 62mm 30g 20Hz - 20 khz / 1Hz 20kHz 110 db [SPL re.20µpa] / 135 db [PVL re.50nm/s] 20[mV/Pa] / 100m[V/Pa] Wszechkierunkowy / ósemkowa Odstęp sygnału od szumu mikrofonu/czujnika (dla 1kHz w paśmie 1Hz): 105dB /(dla prędkości cząstek 1kHz w paśmie 1Hz): 96dB Tabela. 3. Parametry sondy Microflown USP Dzięki pomiarowi przy wykorzystaniu w/w sondy możliwa jest obserwacja zjawisk fizycznych o charakterze wektorowym z bardzo dużą dokładnością. Różnica dokładności pomiaru w porównaniu do sondy dwumikrofonowej przedstawiona jest na Rys. 22 na przykładzie izolacyjności akustycznej okrętowych ścianek działowych. Badania można dodatkowo przeprowadzać przy obecnych zakłóceniach zewnętrznych. Rozszerza to użyteczność tego rozwiązania, m.in. do pomiarów w warunkach rzeczywistych. Rys. 22. Różnica dokładności wyznaczania natężenia metodą klasyczną i bezpośrednią na przykładzie izolacyjności akustycznej okrętowych ścianek działowych[16] 28

30 Poprzez pomiar ciśnienia i prędkości akustycznej oraz wyznaczenie natężenia dźwięku przeprowadzone będą badania skuteczności aktywnej redukcji hałasu. Skuteczność definiowana jest jako różnica poziomów (natężenia lub ciśnienia akustycznego) zmierzona dla ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego z włączonym i wyłączonym systemem ARH. Do realizacji badań wykorzystano metodę stałych punktów. Rama pomiarowa z systemem sterowania, napędzana silnikiem krokowym umieszcza sondę w stałych punktach pomiarowych rozmieszczonych na płaszczyźnie równoległej do badanej płyty. Proces przesuwania sondy i pobierania danych odbywa się automatycznie. Metoda pomiaru umożliwia graficzną analizę wektorowego opisu pola akustycznego. Na tej podstawie przeprowadzono analizę zachodzących zjawiskach wibroakustycznych oraz sprawdzenie niejednorodności pola - obszarów o zróżnicowanych poziomach promieniowania energii akustycznej. W badaniach wykorzystano układ pozycjonowania sondy przedstawiony na Rys. 24. W jego skład wchodzą elementy mechaniczne zamontowane na wylocie falowodu i sterownik do komunikacji z komputerem PC. Całość ma na celu zautomatyzować proces przesuwania sondy po punktach pomiarowych. Rysunek 23. Metoda stałych punktów[16] Rys. 24. Układ pozycjonowania sondy natężeniowej 29

31 Elementy mechaniczne składają się z dwóch silników krokowych. Mogą one przesuwać sondę w płaszczyznach x i y z dokładnością pozycjonowania do 0,1mm. Łączny obszar pomiarowy obejmuje pole o wymiarach 240 na 300 mm. Sonda może być na stałe mocowana w określonej odległości od aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego, w zakresie od 1 do 20mm. Układ sterowania silnikami krokowymi połączony jest interfejsem LPT z komputerem PC. 30

32 7. Stanowisko do pomiaru skuteczności działania systemu ARH w ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnym W ramach pomiarów ARH ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego przeprowadzone będą pomiary poziomu ciśnienia akustycznego i poziomu natężenia dźwięku u wylotu falowodu. Sprawdzona będzie izolacyjność metalowej płyty oraz skuteczność redukcji hałasu całego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego. Środowisko laboratoryjne składa się z: falowodu akustycznego i źródła redukowanego dźwięku systemu ARH w postaci aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego układu pomiarowego Rys. 25. Stanowisko laboratoryjne do badań ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego Falowód jest częścią stanowiska laboratoryjnego pracowni Aktywnych Metod Redukcji Hałasu CIOP-PIB. Jego długość wynosi 200 cm, a wylot jest kwadratem o boku 40 cm. Falowód został zamknięty z jednej strony głośnikiem z obudową, który jest źródłem hałasu. Z drugiej strony falowodu sztywno zamocowany jest aktywny ustrój dźwiękochłonno-izolacyjny. Falowód od wewnątrz wypełniony jest kilkucentymetrową warstwą gąbki pochłaniającej dźwięk. Układ pomiarowy składa się z: komputera PC z oprogramowaniem Matlab i Mach2 sondy Microflown USP 31

33 ramy pomiarowej z systemem sterowania karty dźwiękowej ESI Maya 44 USB oscyloskopu Tektronix TDS 3014B miernika poziomu ciśnienia akustycznego Svan 948 Głównym blokiem systemu pomiarowego jest komputer PC z zainstalowanym systemem Windows XP. Umożliwia on sterowanie ramą pomiarową oraz przetwarzanie wyników uzyskanych przez sondę Microflown, a przede wszystkim zsynchronizowanie czasów pomiaru i przesuwu sondy pomiarowej. Podczas badań sonda pomiarowa przesuwana jest automatycznie tak, aby zatrzymała się w punktach oddalonych od siebie o 2 cm. W każdym z nich sonda zatrzymywana jest na około 5 sekund, po czym przesuwana do kolejnego punktu. Dla powierzchni 720 cm 2 daje to łącznie 130 jednostkowych punktów pomiarowych. Powierzchnia pomiarowa oddalona była od powierzchni płyty o 5 cm. Do automatycznego przesuwu sondy wykorzystano opisaną wcześniej ramę pomiarową. Do sterowania ramą służy program Mach2. Wykorzystywany w nim kod sterujący (załącznik 1) został wygenerowany w programie Matlab. Ustalamy w nim współrzędne punktów krańcowych powierzchni pomiarowej, odległość pomiędzy punktami pomiarowymi, oraz czas przejścia. Na tej podstawie generowany jest plik tekstowy, w oparciu o który program Mach2 wykonuje instrukcje sterujące pracą układu pozycjonowania. Karta dźwiękowa ESI Maya 44 USB pobiera sygnał wychodzący z kondycjonera sygnału sondy Microflown czterema wyjściami analogowymi. Jej zadaniem jest przetworzenie sygnału analogowego na cyfrowy. Połączona jest z komputerem PC za pomocą interfejsu USB. Karta korzysta ze sterowników ASIO, co wpływa na poprawę jakości rejestrowanego sygnału. Dalsze przetwarzanie wyników zarejestrowanych przez sondę i zmienionych na postać cyfrową przez kartę dźwiękową odbywa się za pomocą programu Matlab. Standardowo program ten obsługuje tylko 2 wejścia audio. W przypadku pobierania danych z sondy niezbędne jest dostarczenie sygnału z 4 wejść naraz. Konieczne jest więc rozszerzenie funkcjonalności programu o dodatkowe narzędzie pa-wavplay. Umożliwia ono obsługę dźwięku wielokanałowego przez Matlab, oraz wspiera sterowniki ASIO. Kod wykorzystywany do pobierania danych znajduje się w Załączniku 1. 32

34 Systemy pobierania wyników z sondy do Matlaba i sterowania jej przesuwaniem działają niezależnie od siebie. Niezbędne jest wprowadzenie pomiędzy nimi synchronizacji. Odbyło się to na zasadzie dopasowania czasowego pobierania wyników w Matlabie do czasów przejazdu sondy. Oba systemy muszą być włączone ręcznie w tym samym czasie. Pomyłka w granicach jednej sekundy nie ma wpływu na wynik końcowy. Algorytm pomiaru przedstawiony jest na Rys. 27. Rozpoczęcie badań następuje w chwili ustawienia punktu początkowego sondy. Następnie ręcznie włączane są programy Mach2 i Matlab. Odmierzane są dwie sekundy pauzy w celu ustabilizowania się sondy w punkcie pomiarowym. Następuje dwusekundowy pomiar, podczas którego sonda wysyła dane do karty dźwiękowej ESI Maya 44 USB. Po jego wykonaniu odmierzana jest jedna sekunda postoju. Dzięki temu utworzony zostaje margines błędu na niedokładność związaną z ręcznym uruchomieniem programów Matlab i Mach2. Kolejnym krokiem jest przesunięcie sondy do następnego punktu pomiarowego. Trwa to dokładnie 1,01 sekundy. Oba programy sprawdzają, czy jest to ostatni punkt pomiarowy. Jeśli nie, wracają do kroku stabilizowania sondy. W przypadku, gdy uzyskano 130 wyników następuje wygenerowanie obrazów w programie Matlab i zakończenie pomiaru. Rys. 27. Algorytm pomiaru natężenia dźwięku sondą Microflown. Do rejestracji przebiegów czasowych i amplitudy sygnału użyto oscyloskopu Tektronix TDS 3014B. Podłączony on był do wejścia układu sterującego, czyli pobierał sygnał z mikrofonu B&K 4135 za wzmacniaczem mikrofonowym. Umożliwia to rejestrację wpływu zmian sygnału docierającego do elementu piezoelektrycznego na zmianę przebiegu zredukowanego sygnału. 33

35 Rys.26. Oscyloskop Tektronix TDS 3014B Do rejestracji poziomu ciśnienia akustycznego wykorzystano miernik poziomu ciśnienia akustycznego Svan 948. Jak wcześniej wspomniano, oba mikrofony (błędu B&K 4135 i miernika poziomu ciśnienia akustycznego Svan 948) umieszczono w odległości 20cm od ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego, naprzeciw geometrycznego środka. 34

36 8. Wyniki pomiarów W ramach pomiarów izolacyjności akustycznej aktywnego ustroju dźwiękochłonnoizolacyjnego oraz skuteczności ARH przeprowadzono pomiary poziomu ciśnienia akustycznego w odległości 20 cm od falowodu oraz poziomu natężenia dźwięku w odległości kilku milimetrów od wylotu falowodu: bez zamontowanego ustroju, z zamontowanym ustrojem i wyłączonym systemem ARH z zamontowanym ustrojem i włączonym systemem ARH Pomiary przeprowadzono dla sygnałów o czterech częstotliwościach: 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, 250 Hz oraz trzech wzmocnieniach: 0,04, 0,08, 0,16 (ułamek maksymalnej mocy wyjściowej wzmacniacza). Wszystkie wyniki zostały zamieszczone w Załączniku 2. Na początku wyznaczono izolacyjność akustyczną metalowej płyty będącej częścią aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego. W tym celu przeprowadzono pomiary ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku u wylotu falowodu bez założonej metalowej płyty (Rys 28) oraz po jej założeniu (Rys. 29). Rys. 28. Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku u wylotu falowodu dla sygnału o częstotliwości 150 Hz i o wzmocnieniu 0,08 35

37 Rys. 29. Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 150 Hz i o wzmocnieniu 0,08 z wyłączonym systemem aktywnej redukcji hałasu Przed założeniem metalowej płyty, poziomy ciśnienia akustycznego oscylowały w granicach 105 db. Po założeniu metalowej płyty poziomy te spadły do db. W przypadku pomiaru natężenia poziomy maksymalne bez założonej płyty wynosiły ok. 100dB, zaś dla założonej płyty metalowej spadły do ok db. Strzałki przy wykresie poziomu natężenia dźwięku wskazują wektor natężenia dźwięku. Obszar pomiaru w całości pokrywa się z badanym ustrojem dźwiękochłonno izolacyjnym o wymiarach 240 x 300 mm. Na Rys. 30 pokazano rozkłady poziomu ciśnienia akustycznego i poziomu natężenia dźwięku przenikającego przez płytę metalową dla częstotliwości 100 Hz i wzmocnienia 0,04. Na Rys. 31 zaprezentowano rozkłady poziomu ciśnienia akustycznego i poziomu natężenia dźwięku przenikającego przez płytę metalową dla tej samej częstotliwości 100 Hz i wzmocnienia 0,04 metalowej płyty z włączonym systemem ARH. Rys. 30. Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 100 Hz i o wzmocnieniu 0,04 z wyłączonym systemem ARH 36

38 Rys. 31. Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 100 Hz i o wzmocnieniu 0,04 z włączonym systemem ARH Przed włączeniem elementu czynnego zmierzone poziomy ciśnienia akustycznego zawierały się w granicach db, zaś poziomy natężenia dźwięku w przedziale od 80 do 90 db. Po uruchomieniu elementu czynnego poziomy ciśnienia akustycznego wynosiły od 70 db do 88 db, zaś poziomy natężenia dźwięku wynosiły od 80 do 93 db. Wraz z włączeniem ARH zmieniły się mody drgań na płycie. W przypadku płyty bez włączonego systemu ARH rozkład ciśnienia i natężenia dźwięku był bardziej równomierny. Poziom ciśnienia akustycznego zbadanego w odległości 20 cm od ustroju wynosił 71,1 db dla wyłączonego systemu ARH, zaś dla włączonego spadł do 65,9 db Rys. 32. Skuteczność ARH ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego dla pomiaru natężenia dźwięku sygnału o częstotliwości 100 Hz i o wzmocnieniu 0,04 37

39 Poziom ciśnienia akustycznego [db] Na Rys. 32 pokazano skuteczność ARH dla pomiaru natężenia dźwięku sygnału o częstotliwości 100 Hz i o wzmocnieniu 0,04. Widoczne jest wyraźne wytłumienie dźwięku dla przekątnej rosnącej od lewego rogu do prawego płyty. Pojawiło się też lokalne wzmocnienie dźwięku w prawym dolnym rogu płyty Kąt przesunięcia sygnału [ ] Włączony system ARH Wyłączony system ARH Rys.33. Zależność poziomu ciśnienia akustycznego od kąta przesunięcia sygnału o częstotliwości 100 Hz i wzmocnieniu 0,08 dla włączonego i wyłączonego systemu ARH Na Rys. 33. przedstawiono zależność poziomu ciśnienia akustycznego od kąta przesunięcia sygnału o częstotliwości 100 Hz i wzmocnienia 0,08 dla włączonego i wyłączonego systemu ARH. Najmniejszą wartość poziomu ciśnienia akustycznego zmierzono dla kąta 58. Dla kątów o wartościach od 120 do 340 hałas jest wzmacniany. 38

40 Rys. 34. Sygnał z mikrofonu błędu (żółty) oraz sygnał elementu piezoelektrycznego (fioletowy) dla wyłączonego systemu redukcji hałasu (po lewej stronie) i włączonego (po prawej). Na Rys. 34 przedstawiono przebieg czasowy sygnału rejestrowanego z mikrofonu błędu oraz sygnał wysyłany do elementu piezoelektrycznego dla hałasu o częstotliwości 100 Hz i wzmocnienia 0,08. Napięcie dla sygnału elementu piezoelektrycznego przy włączonej redukcji hałasu wynosi ok. 180V, natomiast polaryzacja ok. 90V. Widoczne jest tłumienie amplitudy sygnału błędu po włączeniu systemu ARH. Na Rys. 35 i Rys. 36 zaprezentowano rozkłady poziomu ciśnienia akustycznego i poziomu natężenia dźwięku przenikającego przez płytę metalową dla częstotliwości 150 Hz i wzmocnienia 0,16. Na Rys. 35 pokazano rozkłady przy wyłączonym systemem ARH, a na Rys. 36 rozkłady z włączonym systemem ARH. Rys. 35. Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 150 Hz i o wzmocnieniu 0,16 z wyłączonym systemem ARH Rys. 36. Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 150 Hz i o wzmocnieniu 0,16 z włączonym systemem ARH Przed włączeniem elementu czynnego wyznaczone poziomy ciśnienia akustycznego zawierały się w granicach db, zaś poziomy natężenia dźwięku w przedziale od 80 do 96 db. Po uruchomieniu elementu czynnego poziomy ciśnienia akustycznego wynosiły 39

41 Poziom ciśnienia akustycznego [db] od 74 db do 98 db, zaś poziomy natężenia dźwięku wynosiły od 80 do 105 db. Wraz z włączeniem ARH zmieniły się mody drgań na płycie. Wyraźnie widoczne są wektory prędkości poprzecznych na Rys 36. przy pomiarze poziomu natężenia dźwięku. Poziom ciśnienia akustycznego zbadanego w odległości 20 cm od ustroju wynosił 71,5 db dla wyłączonego systemu ARH, zaś dla włączonego spadł do 64,1 db. Rys. 37. Skuteczność ARH ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego dla pomiaru natężenia dźwięku sygnału o częstotliwości 150 Hz i o wzmocnieniu 0,16 Na Rys. 37 pokazano skuteczność ARH wyznaczoną przez pomiaru natężenia dźwięku sygnału o częstotliwości 150 Hz i o wzmocnieniu 0,16. Widoczne są wyraźne wahania w lokalnych poziomach natężenia dźwięku. Maksymalna redukcja wynosi ok. 12 db, zaś minimalna -15 db Kąt przesunięcia sygnału [ ] Włączony system ARH Wyłączony system ARH 40

42 Rys. 38. Zależność poziomu ciśnienia akustycznego od kąta przesunięcia sygnału o częstotliwości 150 Hz i wzmocnieniu 0,16 dla włączonego i wyłączonego systemu ARH Na Rys. 38. przedstawiono zależność poziomu ciśnienia akustycznego od kąta przesunięcia sygnału o częstotliwości 150 Hz i wzmocnieniu 0,16 dla włączonego i wyłączonego systemu ARH. Najmniejszą wartość poziomu ciśnienia akustycznego przypada dla kąta 339. Dla kątów o wartościach od 40 do 280 hałas jest wzmacniany. Na Rys. 39 i Rys. 40 zaprezentowano rozkłady poziomu ciśnienia akustycznego i poziomu natężenia dźwięku przenikającego przez płytę metalową dla hałasu o częstotliwości 200 Hz i wzmocnieniu 0,08. Na Rys. 39 zaprezentowano rozkłady przy wyłączonym systemem ARH, a na Rys. 40 zaprezentowano rozkłady z włączonym systemem ARH. Rys. 39. Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 200 Hz i o wzmocnieniu 0,08 z wyłączonym systemem ARH Rys. 40. Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 200 Hz i o wzmocnieniu 0,08 z włączonym systemem ARH Przed włączeniem systemu ARH wyznaczone poziomy ciśnienia akustycznego zawierały się w granicach db, zaś poziomy natężenia dźwięku w przedziale od 82 do 88 db. Po uruchomieniu elementu czynnego poziomy ciśnienia akustycznego wynosiły od 60 db do 78 db, zaś poziomy natężenia dźwięku wynosiły od 75 do 82 db. Wraz z włączeniem 41

43 ARH zmieniły się mody drgań na płycie. Poziom ciśnienia akustycznego zbadanego w odległości 20 cm od ustroju wynosił 63,6 db dla wyłączonego systemu ARH, zaś dla włączonego spadł do 52 db. Rys. 41. Skuteczność ARH ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego dla pomiaru natężenia dźwięku sygnału o częstotliwości 200 Hz i o wzmocnieniu 0,08 Na Rys. 41 przedstawiono skuteczność ARH wyznaczoną przez pomiar natężenia dźwięku sygnału o częstotliwości 200 Hz i o wzmocnieniu 0,08. Widoczne jest wyraźne wytłumienie hałasu na brzegach płyty, dochodzące do 16 db. W centrum płyty nie zaobserwowano redukcji hałasu.. 42

44 Poziom ciśnienia akustycznego [db] Kąt przesunięcia sygnału [ ] Włączony system ARH Wyłączony system ARH Rys. 42. Zależność poziomu ciśnienia akustycznego od kąta przesunięcia sygnału o częstotliwości 200 Hz i wzmocnieniu 0,08 dla włączonego i wyłączonego systemu ARH Na Rys. 42. przedstawiono zależność poziomu ciśnienia akustycznego od kąta przesunięcia sygnału o częstotliwości 200 Hz i wzmocnieniu 0,08 dla włączonego i wyłączonego systemu ARH. Najmniejsza wartość poziomu ciśnienia akustycznego przypada dla kąta 280. Dla kątów o wartościach od 0 do 220 oraz od 340 do 360 hałas jest wzmacniany. Na Rys. 43 i Rys. 44 zaprezentowano rozkłady poziomu ciśnienia akustycznego i poziomu natężenia dźwięku przenikającego przez płytę metalową dla hałasu o częstotliwości 200 Hz i wzmocnieniu 0,08. Na Rys. 43 zaprezentowano rozkłady przy włączonym systemem ARH o sterowaniu ręcznym, a na Rys. 43 zaprezentowano rozkłady z włączonym systemem ARH z adaptacyjnym filtrem Notch sterowanym algorytmem LMS. 43

45 Rys. 43. Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 200 Hz i o wzmocnieniu 0,16 z włączonym systemem ARH ze sterowaniem ręcznym Rys. 44. Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 200 Hz i o wzmocnieniu 0,16 z włączonym adaptacyjnym systemem ARH (filtr notch) Poziomy ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku na Rys. 43 i Rys. 44 są niemal jednakowe. Różnice mieszczą się w przedziale 2 db. Rys. 45. Sygnał z mikrofonu błędu (żółty) oraz sygnał elementu piezoelektrycznego (fioletowy) dla wyłączonego systemu redukcji hałasu (po lewej stronie) i włączonego (po prawej). 44

46 Na Rys. 45 przedstawiono przebieg czasowy z oscyloskopu sygnału z mikrofonu błędu oraz sygnału elementu piezoelektrycznego dla częstotliwości 200 Hz i wzmocnieniu 0,16. Napięcie dla sygnału elementu piezoelektrycznego przy włączonej redukcji hałasu wynosi ok. 50V, natomiast polaryzacja ok. 100V. Widoczne jest wyraźne tłumienie amplitudy sygnału błędu po włączeniu systemu ARH. 45

47 Częstotliwość [Hz] Wzmocnienie 9. Analiza wyników Pomiary poziomu ciśnienia akustycznego w odległości 20 cm od falowodu oraz poziomu natężenia dźwięku w odległości kilku milimetrów od wylotu falowodu bez ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego wykazały, że można przyjąć że fala akustyczna pobudzająca ustrój jest falą płaską. Na całej powierzchni badanego ustroju poziom ciśnienia akustycznego jest stały. Prędkości akustyczne zmierzone w kierunkach x i y (kierunki prostopadłe do osi falowodu) są wielokrotnie niższe niż w kierunku z (równoległym do osi falowodu). Założenie ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego na wylocie falowodu spowodowało obniżenie poziomu ciśnienia akustycznego o ok. 30 db (Rys. 28 i Rys. 29). Zatem można przyjąć, że taka jest izolacyjność ustroju. Pomiary wykazały znaczne różnice poziomu ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku emitowanego przez ustrój. Włączenie systemu ARH w każdym pomiarze wpłynęło na obniżenie poziomu ciśnienia akustycznego emitowanego przez ustrój osiągając skuteczności ARH od 3 do 16 db. Poziom mierzony był w jednym punkcie (w miejscu umieszczenia mikrofonu błędu) w odległości 20 cm od aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego. W Tabeli 4 podano poziomy ciśnienia akustycznego dla włączonego i wyłączonego systemu ARH, oraz skuteczność aktywnej redukcji hałasu dla sygnałów o różnej częstotliwości i wzmocnieniu. Poziom ciśnienia akustycznego [db] Bez systemu ARH System ARH ze sterowaniem ręcznym adaptacyjnym Skuteczność aktywnej redukcji hałasu [db] 0,04 71,1 65,9-5, ,08 76,3 68,5-7,8 0,16 81,5 78,2-3,3 0, ,08 65,6 56,1-9,5 0,16 71,5 64,1-7,4 0,04 58,5 52-6, ,08 63, ,6 0, ,5 53,2 16,5 46

48 0,04 57,2 51,5 5, ,08 62,5 53,2-9,3 0,16 67,6 55,1-12,5 Tabela 4. Poziom ciśnienia akustycznego i skuteczność ARH dla sygnałów o różnej częstotliwości i wzmocnieniu, mierzona przy zastosowaniu miernika poziomu ciśnienia akustycznego w odległości 20cm od aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego Pomiary przeprowadzone sondą pomiarową wykazały, że osiągnięcie dodatniej wartości skuteczności ARH mierzonej punktowo nie zawsze przekłada się na zmniejszenie promieniowania ustroju na całej jego powierzchni. Przykładowo dla sygnału hałasu o częstotliwości 100 Hz i o wzmocnieniu 0,16 zarejestrowano skuteczności dochodzące do 14 db, jednak skuteczność w punkcie mikrofonu błędu osiągnięto na poziomie jedynie 3 db. Powodem tak słabego wyniku była jednoczesna degradacja skuteczności ARH w innym miejscu na powierzchni ustroju o wartościach -7 db. W zależności od częstotliwości sygnału uzyskiwano różne rozkłady modów drgań ustroju. Największe tłumienie uzyskano dla częstotliwości 200 Hz, gdy mody drgań ustroju pokrywały się z miejscem zamocowania elementu czynnego. Wtedy też redukcja hałasu, zmierzona jako spadek poziomu ciśnienia akustycznego w odległości 20cm od ustroju dźwiękochłonnoizolacyjnego dochodziła do 16 db. W tym przypadku wartości ARH zarejestrowane sondą oscylowały w granicach 15 db, jednak nie zarejestrowano wartości ujemnych. Skuteczność ARH była tym większa, im bardziej równomiernie redukcja drgań była rozłożona na płycie. Podczas badań przyjęto dolną granicę rejestrowanego sygnału hałasu na poziomie 50 db. Powodem tego założenia był wysoki poziom tła akustycznego generowany przez układy chłodzenia aparatury pomiarowej oraz możliwości pomiarowe sondy. Wykorzystywana sonda pomiarowa pracuje w dwóch trybach. Pierwszy o niskich wzmocnieniach i drugi o wysokich. Przy pomiarach poziomów dochodzących do 100 db konieczne było użycie niskiego wzmocnienia. Poziom szumów w tym trybie uniemożliwiał zarejestrowanie wyników o poziomach poniżej 50 db. Z tego też względu minimalne poziomy uzyskanego ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku oscylowały w tych granicach. Jest to też powodem, dla którego najczęściej największe poziomy tłumienia uzyskiwano dla sygnałów o wyższym wzmocnieniu. Jednak dla sygnałów hałasu o częstotliwości 100 i 150 Hz przy zwiększeniu wzmocnienia z 0.08 do 0.16 zanotowano 47

49 spadek skuteczności. Powodem tego stanu rzeczy może być niewystarczająca moc zastosowanego elementu czynnego w tym zakresie częstotliwości. Dokonane pomiary zależności ciśnienia akustycznego od kąta przesunięcia sygnału elementu piezoelektrycznego w stosunku do sygnału hałasu z włączonym i wyłączonym systemem ARH umożliwiły zbadanie wpływu błędu kąta przesunięcia sygnału na skuteczność ARH. Dla każdej częstotliwości kąt przesunięcia sygnału dla uzyskania najwyższego tłumienia był inny. Dla 100 Hz wynosił on 58, dla 150 Hz - 339, a dla 200Hz Przebieg sygnału osiągał globalne minimum w znacznie węższym zakresie kątów, niż globalne maksimum. Przez ten fakt trudniej było dobrać odpowiednią wartość opóźnienia dla sygnałów o wyższych częstotliwościach, gdyż zwiększało się próbkowanie sygnału, a tym samym zmniejszał się możliwy krok przesunięcia kąta sygnału opóźnienia. Weryfikacja sygnału oscyloskopem wskazuje na znaczną liczbę zakłóceń w torze pomiarowym. Różnice amplitudy przed włączeniem elementu piezoelektrycznego i po włączeniu są niemal dwukrotnie większe. Pomiar poziomu ciśnienia akustycznego i poziomu natężenia dla częstotliwości 200 Hz i wzmocnienia 0,16 z włączonym systemem ARH wykonano w dwóch wariantach. W pierwszym standardowo wartość sygnału kompensującego została określona ręcznie. W drugim przypadku użyto adaptacyjnego algorytmu wykorzystującego filtr Notch. Tłumienie uzyskane w drugim przypadku było o ok. 0,7 db niższe. Powodem tego mógł być hałas od układu pozycjonowania sondy, który wpływał na minimalne pogorszenie sprawności algorytmu. 48

50 10. Podsumowanie Wykorzystując zrealizowane stanowisko badawcze wykonano pomiary skuteczności aktywnej redukcji hałasu ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego. Mierzono poziom ciśnienia akustycznego w odległości 20 cm od wylotu falowodu oraz poziom natężenia dźwięku w odległości kilku milimetrów od wylotu falowodu. Pomiary zrealizowano bez zamontowanego ustroju oraz po zamontowaniu ustroju z wyłączonym i włączonym systemem ARH. Przeprowadzono je dla sygnałów hałasu o czterech częstotliwościach: 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, 250 Hz oraz trzech wzmocnieniach: 0,04, 0,08, 0,16. W efekcie włączenia systemu ARH osiągnięto skuteczność ARH przekraczającą 16 db (Rys. 43), co oznacza analogiczne zwiększenie izolacyjności akustycznej ustroju w stosunku do wersji bez systemu ARH. W pobliżu ustroju skuteczność osiągała 16 db (Rys. 41), natomiast na krańcach obszaru pomiarowego ok. 0 db. Rozkład skuteczności ARH na powierzchni płyty jest nierównomierny. W niektórych przypadkach obserwowana była degradacja skuteczności ARH dochodząca do -7 db (Rys. 32). W miejscu mikrofonu błędu we wszystkich przypadkach osiągnięto wartości dodatnie, jednak oscylowały one od 3 do 16 db (Tabela 4). Dla wariantu o najwyższej skuteczności aktywnej redukcji hałasu uruchomiono system ARH z adaptacyjnym algorytmem LMS z cyfrowymi filtrami wycinającymi Notch. Tłumienie uzyskane było o ok. 0,7 db niższe niż w przypadku sterowania ręcznego. Powodem tego mógł być hałas od układu pozycjonowania sondy, który wpływał na minimalne pogorszenie sprawności algorytmu. Celem pracy było określenie zmiany izolacyjności akustycznej ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego na skutek zastosowania w nim systemu ARH. Można zatem uznać, że podstawowy cel pracy został zrealizowany. Wyniki realizacji zadania badawczego będą wykorzystane do wykonania ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego, a tym samym umożliwią konstruowanie systemów ARH w zastosowaniach dotąd niedostępnych dla metod aktywnych 49

51 Bibliografia 1. BTM Cordah Sp. z o.o., Mapa akustyczna Miasta Gdańska, DA%C5%83SKA_portal2_pliki/image010.gif, EEA, Perception of noise as a problem in European cities compared to road noise, Engel Z. i inni; Metody aktywne redukcji hałasu, CIOP, Warszawa Górski P., Redukcja hałasu w środowisku z wykorzystaniem metod aktywnych, XXX Międzynarodowa Konferencja Ekologiczna HAŁAS A ŚRODOWISKO, Fundacja Edukacji Ekologicznej i Zrównoważonego Rozwoju Zielonych RP, Łódź, Wrzesień 2008 str Honda Legend Review, Jacobsen Finn, A comparison of two different sound intensity measurement principles, The Jounal of the Acoustical Society of America Vol. 118, No. 3, str , Lightspeed Technologies, ANR 101: A tutorial on Active Noise Reduction Headsets, Prezydent Miasta Stołecznego Warszawy, Mapy Akustyczne Warszawy, Makarewicz G., Wybrane cyfrowe systemy aktywnej redukcji hałasu, CIOP-PIB, Warszawa Microflown Technologies, USP Regular, Microflown Technologies, Sound Intensity Measurments, ty.pdf, Morzyński L., Puto D., Hałas w środowisku pracy, PIP, Warszawa Nelson P. A., Elliott S. J.: Active Control of Sound. London, Academic Press Politechnika Śląska, Zakład Pomiarów i Systemów Sterowania, Instytut Automatyki, Przykłady zastosowań metod aktywnego tłumienia hałasu,

52 15. progeo Sp. z o.o. Wrocław, Obliczenia oddziaływania na środowisko w zakresie uciążliwości akustycznej, Weyna S. Rozpływ energii akustycznych źródeł rzeczywistych, Warszawa,

53 Załącznik 1 Wybrane kody programów napisane i wykorzystywane w pracy Kod programu Matlab realizujący rejestrację danych z sondy i generującym wyniki clear all clc %Ustawienie danych pomiarowych m_f = 150; %[Hz] mierzona częstotliwość m_l = 80; %[db] mierzony poziom m_s = 'ON'; %ON-OFF stan systemu ARH m_u = 'U1'; %Oznaczenie mierzonego ustroju nx = 13; %ilość punktów pomiarowych w osi x (poziomej) ny = 10; %ilość punktów pomiarowych w osi y (pionowej) t0 = 1.5; %[s] czas ustalenia sondy (1.5) t1 = 2; %[s] czas pojedynczego pomiaru (2) t2 = 1; %[s] czas postoju sondy po pomiarze (1) t3 = 1.01; %[s] czas przemieszczenia sondy do kolejnego punktu (1.01) dx = 300; %[mm] wymiar x powierzchni pomiarowej dy = 240; %[mm] wymiar y powierzchni pomiarowej p_min = 60; %[db] p_max = 100; %[db] v_min = 0; %[mm/s] v_max = 100; %[mm/s] %Ustawienie stałych fizycznych po = 2e-5; %[Pa] Poziom odniesienia ciśnienia akustycznego Io = 10e-12; %[W/m2] Poziom odniesienia natężenia akustycznego %Ustawienie danych wejściowych sondy sensitivity_p = 52.5; %[mv/pa] %High gain sensitivity_v1 = 62.02; %[V/(m/s)] -blue sensitivity_v2 = 74.79; %[V/(m/s)] -red sensitivity_v3 = 21.82; %[V/(m/s)] -green %Low gain % sensitivity_v1 = ; %[V/(m/s)] -blue % sensitivity_v2 = ; %[V/(m/s)] -red % sensitivity_v3 = ; %[V/(m/s)] -green %Ustawienie danych wejściowych karty firstchannel = 1; lastchannel = 4; time = t1; %w sekundach samplerate = 44100; %częstotliwośc próbkowania deviceid = 0; %id karty dźwiękowej MAYA44 USB devicetype = 'asio'; correction_ch1 = ; correction_ch2 = ; correction_ch3 = ; correction_ch4 = ; nsamples = time * samplerate; ny_start=ny; ny_end=1; d = -1; pause(2); for i = 1:nx for n = ny_start:d:ny_end 52

54 clc; pause(t0); disp(['measuring: (x,y) => (' int2str(i) ',' int2str(n) ')']); %Pobieranie próbek inputbuffer = pa_wavrecord(firstchannel, lastchannel, nsamples, samplerate, deviceid, devicetype); p(n,i) =(correction_ch1*sum(inputbuffer(:,1).^2)/length(inputbuffer))/(sensitivi ty_p); %[Pa] v1(n,i)=(correction_ch2*(sum(inputbuffer(:,2).^2)/length(inputbuffer))*10 00)/(sensitivity_v1); %[mm/s] v2(n,i)=(correction_ch3*(sum(inputbuffer(:,3).^2)/length(inputbuffer))*10 00)/(sensitivity_v2); %[mm/s] v3(n,i)=correction_ch4*(sum(inputbuffer(:,4))/length(inputbuffer)); %[mm/s] lp(n,i)=20*log10(p(n,i)/po); v(n,i)=sqrt(v1(n,i)^2+v2(n,i)^2+v3(n,i)^2)/1000; I(n,i)=p(n,i)*v(n,i); li(n,i)=10*log10(i(n,i)/io); disp(['stop measurement']); disp(['moving probe - next point']); pause(t2+t3); end if(d==1) d=-1; ny_start=ny; ny_end=1; else d=1; ny_start=1; ny_end=ny; end end %Rysowanie wykresów x = (0:dx/(nx-1):dx); y = (0:dy/(ny-1):dy); figure1=figure('name','1','position',[ ]); subplot(2,2,1); pcolor(x,y,p); grid on, shading('interp'); c=[0 po*10^(p_max/20)]; caxis(c); title('ciśnienie akustyczne [Pa]'); xlabel('[mm]'); ylabel('[mm]'); colorbar; set(gcf,'color','white') subplot(2,2,2); pcolor(x,y,v1); grid on, shading('interp'); c=[v_min v_max]; caxis(c); title('prędkość akustyczna [mm/s] - oś x'); xlabel('[mm]'); ylabel('[mm]'); colorbar; set(gcf,'color','white') subplot(2,2,3); pcolor(x,y,v2); grid on, shading('interp'); c=[v_min v_max]; 53

55 caxis(c); title('prędkość akustyczna [mm/s] - oś y'); xlabel('[mm]'); ylabel('[mm]'); colorbar; set(gcf,'color','white') subplot(2,2,4); pcolor(x,y,v3); grid on, shading('interp'); c=[v_min v_max]; caxis(c); title('prędkość akustyczna [mm/s] - oś z'); xlabel('[mm]'); ylabel('[mm]'); colorbar; set(gcf,'color','white') figure2=figure('name','2','position',[ ]); subplot(2,2,1); pcolor(x,y,lp); grid on, shading('interp'); c=[p_min p_max]; caxis(c); title('poziom ciśnienia akustycznego [db]'); xlabel('[mm]'); ylabel('[mm]'); colorbar; set(gcf,'color','white') subplot(2,2,2); pcolor(x,y,li); grid on; shading('interp'); hold on; quiver(x,y,v1,v2,'r'); hold off; c=[p_min p_max]; caxis(c); title('poziom natężenia dźwięku [db]'); xlabel('[mm]'); ylabel('[mm]'); colorbar; set(gcf,'color','white') subplot(2,2,3); pcolor(x,y,v3); grid on, shading('interp'); c=[v_min v_max]; caxis(c); title('prędkość akustyczna [mm/s] - oś z'); xlabel('[mm]'); ylabel('[mm]'); colorbar; set(gcf,'color','white') subplot(2,2,4); pcolor(x,y,v*1000); 54

56 grid on, shading('interp'); c=[v_min v_max]; caxis(c); title('prędkość akustyczna [mm/s]'); xlabel('[mm]'); ylabel('[mm]'); colorbar; set(gcf,'color','white') %Zapisywanie danych save( [m_u '_' int2str(m_f) 'Hz_' int2str(m_l) 'db_' m_s '_p.txt'], 'x', 'p', '-ASCII'); save( [m_u '_' int2str(m_f) 'Hz_' int2str(m_l) 'db_' m_s '_v1.txt'], 'x', 'v1', '-ASCII'); save( [m_u '_' int2str(m_f) 'Hz_' int2str(m_l) 'db_' m_s '_v2.txt'], 'x', 'v2', '-ASCII'); save( [m_u '_' int2str(m_f) 'Hz_' int2str(m_l) 'db_' m_s '_v3.txt'], 'x', 'v3', '-ASCII'); 55

57 Kod programu Matlab generujący kod sterujący w programie Mach2 clear all clc %współrzędne punktów krańcowych powierzchni pomiarowej (10mm margines) dx_start = 10; dx_stop = 210; dy_start = 10; dy_stop = 270; %odległość pomiędzy punktami pomiarowymi nx = 20; ny = 20; x_line = 0; x_start = ((dx_stop - dx_start)-nx*fix((dx_stop - dx_start)/nx))/2 y_start = ((dy_stop - dy_start)-ny*fix((dy_stop - dy_start)/ny))/2 x = x_start; y = y_start; line = 0; d = 1; while y<=(dy_stop-ny) y = y + ny; y_line = y; while x<=(dx_stop-nx) && x>=0 line=line+1; if(d==1) x = x + nx; x_line = x; else x = x - nx; x_line = x + 2*nx; end v1(line) = {['G1 x' int2str(fix(y_line)) ' y' int2str(fix(x_line)) ' G4 P10']}; end d=d*(-1); if(d==1) x = x_start; else x = x - nx; end end v1=v1'; %save( 'mach2_kod.txt', '', 'v1', '-ASCII'); 56

58 Załącznik 2. Wyniki pomiarów. Rys. 28. Ciśnienie i prędkość akustyczna u wylotu falowodu dla sygnału o częstotliwości 100 Hz i wzmocnieniu 0,04 Rys. 29. Ciśnienie i prędkość akustyczna u wylotu falowodu dla sygnału o częstotliwości 100 Hz i wzmocnieniu 0,08 Ciśnienie i prędkość akustyczna u wylotu falowodu dla sygnału o częstotliwości 100 Hz i wzmocnieniu 0,16 57

59 Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku u wylotu falowodu dla sygnału o częstotliwości 150 Hz i o wzmocnieniu 0,04 Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku u wylotu falowodu dla sygnału o częstotliwości 150 Hz i o wzmocnieniu 0,08 Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku u wylotu falowodu dla sygnału o częstotliwości 150 Hz i o wzmocnieniu 0,16 58

60 Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku u wylotu falowodu dla sygnału o częstotliwości 200 Hz i o wzmocnieniu 0,04 Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku u wylotu falowodu dla sygnału o częstotliwości 200 Hz i o wzmocnieniu 0,08 Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku u wylotu falowodu dla sygnału o częstotliwości 200 Hz i o wzmocnieniu 0,16 59

61 Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 100 Hz i o wzmocnieniu 0,04 z wyłączonym systemem aktywnej redukcji hałasu Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 100 Hz i o wzmocnieniu 0,04 z włączonym systemem aktywnej redukcji hałasu Skuteczność aktywnej redukcji hałasu ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego dla pomiaru natężenia dźwięku sygnału o częstotliwości 100 Hz i o wzmocnieniu 0,04 60

70 Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 200 Hz i o wzmocnieniu 0,16 z włączonym adaptaycjnym systemem aktywnej redukcji hałasu (filtr notch) Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 250 Hz i o wzmocnieniu 0,04 z wyłączonym systemem aktywnej redukcji hałasu Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 250 Hz i o wzmocnieniu 0,04 z włączonym systemem aktywnej redukcji hałasu 69

71 Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 250 Hz i o wzmocnieniu 0,08 z wyłączonym systemem aktywnej redukcji hałasu Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 250 Hz i o wzmocnieniu 0,08 z włączonym systemem aktywnej redukcji hałasu Poziom ciśnienia akustycznego i natężenia dźwięku ustroju dla sygnału o częstotliwości 250 Hz i o wzmocnieniu 0,16 z wyłączonym systemem aktywnej redukcji hałasu 70

Pokazać jeszcze